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This thesis deals with deformable registration techniques of preoperative data to the intra-operative sceneas an indispensable step in the realisation of augmented reality for abdominal surgery. Such techniques arethus discussed as well as evaluation methodologies associated with them. Two contexts are considered : theregistration for computer-assisted laparoscopic surgery and the postural registration of the patient on theoperating table. For these two contexts, the needs to be met by the registration algorithms considered arediscussed, as well as the main limitations of the existing solutions. Algorithms developped during this thesis,allowing to meet these needs are thus proposed and discussed. Special attention is given to their evaluation.Different datasets allowing a quantitative evaluation of the accuracy of the registration algorithms, also realizedduring this thesis, and made public, are also discussed. Such data are extremely important because they respondto a lack of evaluation data needed in order to evaluate the registration error in a quantitative way, and thus tocompare the different algorithms. The modeling of the illumination of the laparoscopic scene, allowing one toextract strong constraints between the data to be registered and the surface of the observed organ, and thus tobe used to constrain these registration problems, is also discussed. This manuscript has seven parts. The firstdeals with the context surrounding this thesis. Minimally invasive surgery is presented as well as various generalcomputer vision problems which, when applied to the medical context, allow the definition of computer-assistedsurgery. The second part deals with the prerequisites for reading the thesis. The pre-processing of pre-operativeand per-operative data, before their use by the presented registration algorithms, is thus discussed. The thirdpart corresponds to the registration of hepatic data in laparoscopy, and the evaluation associated with thisproblems. The fourth part deals with the problem of postural registration. The fifth part proposes a modellingof the lighting in laparoscopy which can be used to obtain strong constraints between the observed surfaceand the laparoscopic images. The sixth part proposes a use of the light models discussed in the previous partin order to refine and densify reconstructions of the laparoscopic scene. Finally, the seventh and last partcorresponds to our conclusions regarding the issues addressed during this thesis, and to future work.; Cette thèse concerne les techniques de recalage déformable de données pré-opératoires dans la scène peropératoire en tant qu’étape indispensable à la réalisation de réalité augmentée pour la chirurgie abdominale. De telles techniques sont ainsi discutées, de même que les méthodologies d’évaluation associées à ces dernières.Deux contextes sont considérés : le recalage pour la chirurgie coelioscopique assistée par ordinateur et le recalage postural de patient sur la table d’opération. Pour ces deux contextes, les besoins auxquels doivent répondre les algorithmes de recalage considérés sont discutés, ainsi que les principales limitations des solutions existantes.Des algorithmes réalisés au cours de cette thèse, permettant de répondre à ces besoins sont ainsi proposés et discutés. Une attention toute particulière est alors accordée à leur évaluation. Différents jeux de données permettant une évaluation quantitative de la précision des algorithmes de recalage, créés eux aussi durant cette thèse, et rendu publics, sont ainsi présentés. De telles données sont extrêmement importantes car elles répondent à un manque de données standardisées permettant d’évaluer l’erreur de recalage de façon quantitative, et ainsi de comparer les différents algorithmes. La modélisation de l’éclairage de la scène coelioscopique, permettant d’extraire des contraintes fortes sur les données à recaler et la surface de l’organe observé, et ainsi d’être utilisée pour contraindre ces problématiques de recalage, est aussi discutée. Ce manuscrit est séparé en sept parties. La première traite du contexte de la thèse. La chirurgie mini-invasive est présentée ainsi que différents problèmes de vision par ordinateur généraux qui, une fois appliqués au contexte médical permettent de définir la chirurgie assistée par ordinateur. La seconde partie traite des prérequis à la lecture de la thèse. Le prétraitement des données pré-opératoires et per-opératoires, avant utilisation par les algorithmes de recalage présentés,est ainsi discuté. La troisième partie correspond au recalage de données hépatiques en coelioscopie, et de l’évaluation associée à cette méthode. La quatrième partie correspond quant à elle à la problématique du recalage postural. La cinquième partie propose une modélisation de l’éclairage en coelioscopie pouvant être utilisée pour obtenir des contraintes fortes entre la surface observée et les images coelioscopiques. La sixièmepartie propose une utilisation des modèles de lumière discutés dans la partie précédente afin de raffiner et densifier des reconstructions de la scène coelioscopique. Enfin, la septième et dernière partie correspond à nos conclusions vis-à-vis des problématiques abordées au cours de la thèse, et aux travaux futurs.

National audience; Fusing pre-operative CT angiography with per-operative angiographic and fluoroscopic images is considered by physicians as a potentially useful tool for improved guidance. We propose a 3D/2D temporal tracking of one coronary vessel, based on a spline deformation, using pairings with a controlled 2D stretching along the paired curves and a preservation of the length of the 3D curve. Experiments were conducted on a database of 10 vessels from 5 distinct patients, with dedicated metrics assessing both the global registration and the local coherency of the position along the vessel. The proposed results demonstrate the efficiency of the proposed method, with an average standard deviation of 2 mm for the localization of landmarks.; La fusion de l'angioscanner préopératoire avec des images angiographiques et fluoroscopiques per-opératoires est susceptible d'améliorer l'utilité des images fluoroscopiques pendant les interventions. Nous proposons un suivi temporel 3D/2D d'un vaisseau coronaire, basé sur une déformation spline, en utilisant des appariements avec une élongation/contraction contrôlée le long des courbes appariées et une préservation de la longueur de la courbe 3D. Des expériences ont été menées sur une base de données de 10 vaisseaux provenant de 5 patients distincts, avec des évaluations spécifiques sur le recalage global et la cohérence locale de la position le long du vaisseau. Les résultats obtenus démontrent l'efficacité de la méthode proposée, avec un écart type moyen de 2 mm pour la localisation des points d'intérêt.

A major challenge in lung cancer treatment in radiotherapy is to take into account organs movements and deformations in order to improve dose coverage of the tumor and spare the surrounding healthy tissues. We focused on intensity based deformable registration methods applied to 3D computed tomography scans (3D-CT) of the thorax. The goal is to extract movement and deformation information of lungs and tumor. During this PhD we developed a deformable registration platform with multiples regularizations techniques of vector fields. We did three main studies. In the first one we used deformable registration to study the breath-hold reproducibility with ABC device. The breath-hold was efficient for patients with normal lung behavior and inefficient for patients with lung discrepancies. In the second study, we used 4D-CT acquisitions (a 4D-CT acquisition is a set of 3D-CT images acquired over the free-breathing respiration cycle). The goal was to extract and follow thorax movements for a free-breathing treatment and 4D dosimetric studies. We built a first 4D-CT image model with two 3D-CT images acquired at end-inhale and end-exhale stages of the respiration cycle. The long-term goal is to have a complete model of lung and thorax, allowing tumor tracking and respiration synchronized irradiation, in order to optimize the lung cancer treatment in radiotherapy., Prendre en compte les mouvements et les déformations des organes en radiothérapie pour le traitement de cancer de poumons est un défi majeur car cela permet d'augmenter la dose délivrée à la tumeur tout en épargnant mieux les tissus sains environnants. Nous nous intéressons aux méthodes iconiques de recalage non-rigide (ou déformable) appliquées aux acquisitions tomodensiométriques 3D (TDM 3D) du thorax. Le but est d'extraire l'information mouvement et déformation des poumons et des tumeurs. Durant cette thèse nous avons développé une plateforme de recalage déformable avec plusieurs méthodes de régularisation de champs de vecteurs. Trois études principales ont été menées. Dans une première étude, le recalage déformable a permis de contrôler la reproductibilité du blocage respiratoire. Nous avons montré sur une dizaine de patients que ce blocage est efficace sauf pour trois patients avec des anomalies fonctionnelles. Dans une deuxième étude nous analysons des acquisitions TDM 4D (ensemble d'images TDM 3D acquises à des instants différents du cycle respiratoire normal). Le but est d'extraire et suivre les mouvements et déformations du thorax pour en tenir compte lors d'un traitement en respiration libre et d'effectuer des études dosimétriques dynamiques 4D. Nous avons construit un premier modèle d'image TDM 4D à partir des deux images TDM 3D acquises en blocage respiratoire en fin d'expiration et en fin d'inspiration. L'objectif à long terme est de pouvoir fournir une modélisation détaillée du poumon, permettant le suivi de la tumeur et l'irradiation synchronisée avec la respiration, afin d'optimiser le traitement curatif par radiothérapie du cancer du poumon.